Die Mischungsqualität von Brennstoff und Luft in Gasturbinenbrennern hat Einfluss auf wichtige Verbrennungsgrößen, wie Wärmefreisetzung, Flammenfronteigenschaften, Brenngeschwindigkeit, Emissionen und Zeitverzüge. Sie kann daher auch Verbrennungsinstabilitäten begünstigen, die sich bei einer Kopplung von Wärmefreisetzungs- und Druckschwankungen, insbesondere unter mageren Bedingungen, ausbilden. Somit ist es essentiell, turbulente Mischungsvorgänge modellieren zu können und ihren Einfluss auf Strömungs- und Vebrennungsvorgänge zu verstehen. Die vorliegende Arbeit behandelt die Untersuchung von Mischungsvorgängen in einem Drallbrenner unter Verwendung von numerischen Strömungsberechnungen. Weitergehend wird die Auswirkung von Schwankungen im Brennstoff-Luft-Verhältnis auf Flammeneigenschaften und Emissionen mit einem eindimensionalen turbulenten Modell berechnet. Experimentelle Untersuchungen an einem Staukörper-Brenner untermauern die Resultate dieser Berechnungen und gewähren einen tieferen Einblick in das Thema. Abschließend wird ein neuartiger Kopplungsansatz für ein Subgrid-Verbrennungsmodell vorgestellt, das auf die Brennerkonfiguration aus den experimentellen Untersuchungen angewendet wird. Die Untersuchungen am Drallbrenner zeigen, dass die Position der Brennstoffeindüsung einen großen Einfluss auf die Mischungsqualität als auch die Flammenform und -position hat. Axialsymmetrische Anregung der mittleren Strömung führt zu einer Überlagerung mit der helikalen Struktur der Strömung und beeinflusst so Mischungs- und Strömungsdynamik. Reynoldsgemittelte Simulationen waren in der Lage, wichtige Merkmale qualitativ, für die Mischung sogar quantitativ, wiederzugeben. Bezogen auf das Strömungsfeld haben sich Large Eddy Simulationen als deutlich genauer herausgestellt. Die eindimensionalen Untersuchungen einer turbulenten, mageren Flamme zeigen steigende CO und NO Emissionen sowie Wärmefreisetzungsschwankungen mit steigender Anregungsamplitude. Nichtlineare Effekte bei hohen Amplituden werden mit Wechselwirkungen und einer Phasenabhängigkeit von Oszillationen im Brennstoff-Luft-Verhältnis und der Brenngeschwindigkeit assoziiert. Außerdem liegt ein Dämpfungseffekt der periodischen Anregung auf turbulente Schwankungen vor, der zu einer verminderten Brenngeschwindigkeit führt. Die experimentellen Ergebnisse können viele Erkenntnisse der eindimensionalen Berechnungen bestätigen. Nichtlineares Verhalten der Wärmefreisetzungsschwankungen werden durch die Kopplung mit Brenngeschwindigkeit, Reaktionswärme und Strömungsfeld erklärt. Anregung bei niedrigen Frequenzen bzw. hohen Amplituden verursachen eine Dämpfung der turbulenten Fluktuationen und daraus resultierend einen Anstieg der turbulenten Flammendicke sowie eine Verringerung der Flammenoberächendichte, welche auf eine Verringerung der Brennrate hinweist. Mit dem Ziel, einige Probleme und Defifizite herkömmlicher Verbrennungsmodelle zu überwinden, wird ein neuartiger Kopplungsansatz vorgestellt, der das eindimensionale Modell als Subgridmodell in Large Eddy Simulationen einbindet. Diese Kopplung verknüpft die thermochemischen Größen des Untergitters mit dem Geschwindigkeits- und Druckfeld des übergeordneten Gitters über eine Geschwindigkeitsdivergenzbedingung. Die Anwendung auf eine Staukörper-stabilisierte Flamme zeigt vielversprechende Ergebnisse, die Flammenfrontcharakteristika in guter Übereinstimmung mit Messergebnissen wiedergeben.


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    Title :

    Modeling of mixing and fuel air ratio fluctuations in lean premixed flames


    Additional title:

    Modellierung von Mischung und Fluktuationen im Brennstoff-Luft-Verhältnis in mager vorgemischten Flammen


    Contributors:

    Publication date :

    2015



    Type of media :

    Miscellaneous


    Type of material :

    Electronic Resource


    Language :

    English



    Classification :

    DDC:    629




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